穆斯堡尔谱

物理学术语

1956年27岁R.穆斯堡尔在研究伽马射线共振吸收问题，他在总结，吸收前人的研究基础上指出：固体中的某些放射性原子核有一定的几率能够无反冲地发射γ射线，γ光子携带了全部的核跃迁能量。而处于基态的固体中的同种核对前者发射的γ射线也有一定的几率能够无反冲地共振吸收。这种原子核无反冲地发射或共振吸收γ射线的现象后来就称之为穆斯堡尔效应。

定义

原子核无反冲地发射或共振吸收射线的现象后来就称之为穆斯保尔效应。凡是有穆斯堡尔效应的原子核 ,简称为穆斯堡尔核。目前 ,发现具有穆斯堡尔效应的化学元素 (不包括铀后元素) 只有 42 种，80 多种同位素的100多个核跃迁。尤其是尚未发现比钾元素更轻的含穆斯堡尔核素的化学元素。大多数要在低温下才能观察到，只有57Fe的14.4 keV和119Sn的23.87 keV 核跃迁在室温下有较大的穆斯堡尔效应的几率。对于不含穆斯堡尔原子的固体，可将某种合适的穆斯堡尔核人为地引入所要研究的固体中，即将穆斯堡尔核作为探针进行间接研究，也能得到不少有用信息。

穆斯堡尔谱的产生

通过上面讨论，可知固体中的原子可以实现γ光子的无反冲共振吸收。当无反冲γ射线经过一吸收体时，如果入射γ光子能量与吸收体中的某原子核的能级间跃迁能量相等，这种能量的γ光子就会被吸收体共振吸收。若要测出共振吸收的能量大小，必须发射一系列不同能量的γ光子。与穆斯堡尔原子核跃迁能量相应的γ光子显著地被共振吸收，透过后为计数器所接收的光子数明显减少；而能量相差较大的γ 光子，则不被共振吸收，透射γ光子计数较大。这种经吸收后所测得的γ光子数随入射γ光子的能量的变化关系，就称为穆斯堡尔谱。通过测量透过吸收体的γ光子计数，所得到的穆斯堡尔谱称为透射穆斯堡尔谱。如果测量由吸收体散射后的γ光子计数得到的穆斯堡尔谱，称为散射穆斯堡尔谱 (或背散射穆斯堡尔谱) 。即吸收体共振吸收后处于激发状态，再向基态跃迁时发射出γ射线，又称二次γ光子。共振吸收时，发射出二次光子数目最多。

要想吸收体中某种核发生共振吸收，就必须具有能发出相应于这种核跃迁能量的γ光子的放射源。一般放射源发射的只是一或二种能量的γ光子，这就不能形成穆斯堡尔谱。但使放射源相对于吸收体运动，利用多普勒效应来调制γ射线的能量，可以得到一系列不同能量的γ光子。根据多普勒效应可知，当源向着接收器运动时，频率增加；而远离接收器运动时，频率减小。如果相对运动发生在接收器和光源的连线上，接收器接收到光波频率ν与它们之间相对运动速度v及光源发射频率ν0之间满足如下关系：

光源与接收器彼此趋近时

光源与接收器彼此远离时

通常由于 ,上式可近似写成

当光源与接收器彼此趋近时取正号，远离时取负号。将上式两边同乘以普朗克常数 h ，得

整理得：

即能量变化ΔE 和相对速度 v 之间满足

可见，利用发射源与吸收体之间相对运动产生多普勒效应，导致γ光子能量发生变化，只要改变相对运动速度 v 大小，就能得到一系列不同能量的γ光子。

图 1 是穆斯堡尔透射实验和散射实验的示意图。图1中 A 是穆斯堡尔源，B 是共振吸收体，C 是共振散射体。在透射穆斯堡尔谱中，因吸收发生共振时透过计数率最小，所以形成倒立的吸收峰。在散射谱中，由于共振吸收时发射二次光子数目最多，所以穆斯堡尔谱是正立的峰。对于一些简单的谱，有时对谱图进行定性分析就可获得不少有价值的信息。但对于一些复杂物相的谱，必须将实验谱拟合为一系列理论谱线的叠加，才能由谱抽出有价值的信息.。

应用

由于穆斯堡尔效应得到的穆斯堡尔谱线宽Γ与核激发态平均寿命所决定的自然线宽ΓH在同一量级，因而具有极高的能量分辨率。以57Fe核14.4Kev的跃迁为例，自然线宽ΓH为4.6x10-9eV，能量分辨率约为10-13的量级（原子发射和吸收光谱的能量分辨率在理想情况下可达10-8的量级），因此它是研究固体中超精细相互作用的有效手段。如今已广泛在应用于物理学、化学、材料科学、物理冶金学、生物学和医学、地质学、矿物学和考古学等许多领域，发展成为一门独立的波谱学----穆斯堡尔谱学。

穆斯堡尔效应涉及固体中核激发态和基态能级间的共振跃迁，因此核的能级结构决定着谱形状及诸参量，而共振核的能级结构又决定于核所处的化学环境，所以穆斯堡尔谱能极为灵敏地反映共振原子核周围化学环境的变化；并可以获得共振原子核周围化学环境的变化，由它可以获得共振原子的氧化态、自旋态、化学键的性质等有关固体微观结构的信息。穆斯堡尔谱能方便地确定某种固体 (含穆斯堡尔核) 是否为非晶态，因为晶态固体的穆斯堡尔谱参量都有确定的值，共振谱线很尖锐，而非晶态固体，由于穆斯堡尔谱参量是连续或准连续分布的，因而共振谱线较宽。图 2 和图 3 分别示出了非晶态的和晶化了的的谱，可以看出二者显著不同。

穆斯堡尔谱在固体的磁性研究中，可用来确定磁有序化温度，磁有序化类型，即固体是铁磁性的还是反铁磁性的或亚铁磁性的，分析磁性离子在各亚晶格间的布居 ,研究磁结构或自旋结构。在微晶和非晶态固体的研究中 ,它特别有用，因为在这些情况下，研究固体的结构常用的 X 射线衍射技术已不敏感，在微晶研究方面，穆斯堡尔谱可以提供磁性微晶的弛豫过程、磁各向异性能常数、微晶的大小及其分布等方面的信息。

穆斯堡尔谱可用于固体的相变研究，确定相变温度；对复杂物相可以进行定性或定量的相分析；对未知物相，可作为“指纹”技术进行鉴别，含有同一穆斯堡尔原子的不同物相，一般说来它们的谱不同，只要它们的超精细参量中有一个显著不同，就可很容易地将它们区分开。当有了一系列已知物相的谱参数以后，就可以将穆斯堡尔谱作为“指纹”，鉴定复合物中含有哪些物相。由它们各自的共振谱线的积分强度，可定量或半定量地确定它们在复合物相中的比例；单一物相在发生相变时，若其中含有穆斯堡尔原子，则穆斯堡尔参数在相变点将有不连续的变化，据此可确定相变温度。

穆斯堡尔谱方法在研究固态表面、界面、薄膜及超细小颗粒中发挥了重要作用 ,由谱中表面原子贡献的分量 ,可以获得表面原子的振动、表面原子的磁性等多方面的信息。例如，在表面和界面的磁性研究中，由谱超精细磁场的测量和分析得知，在 295K，表面原子的磁化强度的热无序大于体内热无序。人们还发现，对于由 10 多个原子层组成的磁性超薄膜，磁化强度随温度的变化近似为线性的，而不是通常的 T3/ 2的关系。这些结果均与理论所预言的相符。曾利用穆斯堡尔效应等方法研究了中国古代北方著名的陕西耀州窑的唐三彩，由实验的观测研究可以推断在空气的氧化气氛中烧制，烧成温度约为 1000 ℃。又曾利用穆斯堡尔效应等实验研究了陕西秦始皇兵马俑的原料、河南宝丰著名汝瓷官窑遗址粘土、河南巩县唐三彩窑遗址粘土，由此比较未烧粘土和古陶瓷的谱参数等，可以判断古陶瓷的原料来源、烧制气氛和烧成温度等等。

主要特点

穆斯堡尔谱方法的主要优点是：(1) 设备和测量简单 ; (2) 可同时提供多种物理和化学信息 ; (3) 分辨率高 ,灵敏度高 ,抗扰能力强 ,对试样无破坏 ; (4) 所研究的对象可以是导体、半导体或绝缘体 ,试样可以是晶态或非晶态的材料 ,薄膜或固体的表层 ,也可以是粉末、超细小颗粒，甚至是冷冻的溶液，范围之广是少见的。

主要的不足之处是：只有有限数量的核有穆斯堡尔效应，且许多还必须在低温下或在具有制备源条件的实验室内进行，使它的应用受到较多的限制，事实上，至今只有57Fe和119Sn等少的穆斯堡尔核得到了充分的应用。即使如此，它仍不失为固体物理研究的重要手段之一，在有些场合甚至是其他手段不能取代的，并且随着实验技术的进一步开发，可以预期，它将不断地克服其局限性，在各研究领域发挥更大的作用。

设计性内容

穆斯堡尔谱实验的内容及其所需学时数的伸缩性很大，可根据实验室条件、实验人数、学生专业等不同要求，选择相应的内容、深度并配合相应的学时．通过该实验可以了解有关穆斯堡尔效应、穆斯堡尔谱学的基本知识；了解谱参数的宏观表示和它反映的物质微观结构信息间的关系；了解谱仪的基本结构和功能，谱仪的速度标定方法，测谱和数据处理的方法等；了解穆斯堡尔谱学分析技术在不同学科领域中具体的应用方法并结合有兴趣的课题或实验室的科研方向作具体的工作等。

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